Проектирование индивидуальных преформ

В последнее время было разработано много новых технологий для сокращения времени цикла и стоимости композитов с целью увеличения использования композитов в автомобилях, промышленности и потребительских товарах. Одним из наиболее многообещающих направлений развития являются автоматизированные производственные линии, которые разрезают и укладывают ленту из термопластического препрега для формирования индивидуальных заготовок, а затем преобразуют их в детали с помощью формования под давлением и литья под давлением. Компании, активно участвующие в этой разработке, включают Airborne (Гаага, Нидерланды), Van Wees UD и Crossply Technology (Тилбург, Нидерланды), а также французскую научно-исследовательскую организацию Cetim (Нант, Франция), занимающуюся разработкой и передовым производством. Последняя представила свой процесс Quilted Stratum Process (QSP) в 2015 году. QSP может производить детали сложной формы с длительностью импульса производственной линии 40-90 секунд. Например, с помощью QSP омега-образный профиль, сформованный в L-образную балку, объединяет 13 участков органолиста толщиной 1,5, 2 и 3 мм (тканый термопластический препрег) и ленты UD в деталь толщиной 6 мм. со временем цикла менее 77 секунд на деталь.

Однако, чтобы воспользоваться преимуществами технологии автоматизации, такой как QSP, инженеры должны разработать методы проектирования и оптимизации, которые могут оценить многие теоретические комбинации частичных слоев и соответствующие вариации в количестве, толщине, положении и составе слоев (например, тип армирования и ориентация волокна). Имея это в виду, Cetim объединила свой опыт в области структурного анализа композитов, неразрушающего контроля (NDT) и производства с опытом ONERA (Французской аэрокосмической лаборатории) в области передовых методов оптимизации, которые в течение многих лет использовались в аэрокосмической промышленности. Результатом стал QSD, инструмент, который теперь доступен в программном обеспечении автоматизированного проектирования (CAE) компании Altair Engineering (Трой, Мичиган, США). По сути, это надстройка для оптимизации, которая помогает разрабатывать композитные детали, изготовленные с использованием процессов на основе лент и органолистов, и контролировать их стоимость, включая способы повторного использования производственных отходов для безотходного производства с замкнутым циклом.

Четырехэтапный процесс

Методология QSD включает четыре этапа:структурная оптимизация, анализ формы, определение компоновки и анализ затрат (рис. 1). Каждый из них помогает проектировщику быстро проверить, что можно сделать с исходными материалами, и принять правильные решения в отношении механических и производственных ограничений для контроля стоимости деталей. Надстройка QSD была разработана совместно с Altair, чтобы сделать ее доступной для непосредственного использования всеми пользователями HyperWorks OptiStruct в хорошо известной среде. Эти пользователи могут воспользоваться QSD без разработки новых моделей конечных элементов, используя свои уже разработанные внутренние ноу-хау с программным обеспечением Altair.

Оптимизация конструкции

На первом этапе процесса QSD выбираются термопластические ленточные материалы, и их свойства - включая прочность, модуль и другие стандартные параметры - вводятся из выбранной базы данных проектировщика или базы данных Altair Multiscale Designer анизотропных термопластичных композиционных материалов и их микромеханических моделей. QSD использует эту базу данных и HyperWorks Optistruct для завершения оптимизации «согласования жесткости». Поскольку некоторые результаты этого анализа нелегко представить (например, анизотропная жесткость), QSD предоставляет множество способов взаимодействия со сложными, но богатыми данными, включая поля прямых переменных или интерпретируемые результаты, такие как основные направления жесткости или полярный график жесткости (рис. 1). Все эти дисплеи определяют одинаковый механический отклик, но предлагают индивидуальные представления в соответствии с выбранными пользователем предпочтениями. Цель состоит в том, чтобы помочь дизайнерам понять и визуализировать дальнейший путь для достижения желаемой производительности детали. На этом этапе можно оптимизировать толщину и массу, причем последняя обычно уменьшается до 50 процентов по сравнению с металлическими деталями.

Анализ формы

Следующий шаг помогает дизайнерам пойти на существенные компромиссы, сначала развернув деталь - преобразовав 3D-форму в 2D-лист - с помощью инструмента Drape Estimator, а затем выполнив автоматическое разбиение этого листа с помощью алгоритма кластеризации. Цель состоит в том, чтобы упростить и ускорить оценку связи между плоской преформой и конечной деталью. Автомобильный поперечный рычаг, показанный на рис. 2 изначально был разделен на 300 зон на основе сетки конечных элементов и результатов OptiStruct, но это число было уменьшено до пяти зон QSD.

Затем дизайнер может выпрямить и сгладить края каждой зоны, чтобы минимизировать отходы в соответствующих слоях обрезки. Это ключевой шаг, позволяющий повысить рентабельность производства с целью контроля затрат. Этот шаг интересен еще и тем, что проектировщик может оценить влияние упрощения слоев и формы на механические характеристики детали. Если необходимо найти компромисс между механическими характеристиками и производительностью / браком / стоимостью детали, этот шаг предоставляет данные для этой оценки.

Идентификация Layup

Цель этого шага - определить наилучшую локальную компоновку для каждой зоны путем выбора из базы данных стека QSD или библиотеки слоев, которая может быть дополнена данными, специфичными для пользователя. Инструмент QSD помогает проектировщику нарисовать слои детали, а затем протестировать, чтобы найти лучшую стратегию компоновки, оценив реакцию детали с помощью механических критериев (например, местного смещения, коэффициента потери устойчивости или собственной частоты).

Дизайн для анализа затрат

На этом заключительном этапе конструкторы могут оценить стоимость материала детали, включая отходы лома, и стоимость ее изготовления из-за резки и сборки слоев. Действительно, количество слоев и отходы материала на один слой являются основными факторами затрат. Вскоре в QSD будет доступна быстрая оценка отходов, позволяющая получить расчетные значения на ранних этапах проектирования. Для заключительных итераций каждый слой можно экспортировать для выполнения подробного анализа вложенности в любом программном обеспечении, которое предпочитает пользователь. Параметры формулы оценки стоимости детали также могут быть изменены проектировщиком при необходимости. Таким образом, проектировщик может оценить различные стратегии укладки и сравнить их отходы, технологичность, стоимость и механические характеристики.

Обратите внимание, что QSD позволяет оценить использование всех видов полуфабрикатов, таких как ленты, тканые или перекрестно-слоистые органоиды. Он также может оценивать переработанные материалы, такие как нетканые маты, изготовленные из переработанного углеродного волокна компанией Carbon Conversions, ELG Carbon Fiber и другие, или термоформованные листы, изготовленные из обрезков термопласта с использованием технологии Cetim's Thermosaïc или других аналогичных процессов. Конечно, потребуются механические свойства таких материалов, но после определения они могут быть легко введены в модули QSD, включая окончательную библиотеку слоев / базу данных по укладке. Таким образом, отходы этой детали снова используются в этой детали для безотходного производства с замкнутым циклом - идеальная цель для производства всех композитов с точки зрения устойчивости.

Инструмент для более широкого использования композитов

QSD подходит для первых шагов процесса проектирования, потому что он соответствует не только процессу QSP компании Cetim, но и всем процессам, используемым для создания индивидуальных преформ, независимо от степени автоматизации (например, автоматическое размещение ленты, автоматическая резка и ручная укладка ). Он разработан, чтобы помочь инженерам оптимизировать свои детали и избежать неправильного выбора дизайна на ранних этапах рабочего процесса.

Ссылка:

[1] «Новый метод проектирования для быстрого и экономичного производства композитных деталей с использованием процесса Quilted Stratum» Франсуа-Ксавье Ирисарри, Теренс Маккар, Седрик Жюльен, Дени Эспинассу.

Об авторе

Денис Эспинассу - инженер-механик и руководитель проекта QSD. Он присоединился к Cetim, французскому механическому институту, в 2010 году в качестве специалиста по проектированию и оптимизации длинноволоконных термопластичных композитных конструкций. Он также отвечает за разработку продуктов путем изготовления прототипов и механической проверки.